Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов (4-е изд., 1999) (1095908), страница 24
Текст из файла (страница 24)
В зеркальных и зеркально-линзовых системах, работающих в ИК диапазоне, в качестве материала для защитных элементов и коррегирующих линз часто используют германий, так как тонкие пластины и мениски или маленькие линзы обладают малыми хроматическими аберрациями. В табл. 5.5 приведены значения показателя преломления ряда материалов, используемых для изготовления оптических систем, работающих в ИК диапазонах 3...5 и 8...12 мкм. Эти материалы освоены в производстве, сравнительно просто обрабатываются, негигроскопичиы, на них достаточно легко наносятся просветляющие покрытия.
В качестве материалов для подложек зеркал, работающих в шиРоком диапазоне температур, используется пирекс, плавленый кварц, ситаллы, бериллий и другие материалы. В табл. 5.6 приведены характеристики ряда материалов, используемых для изготовления точных крупногабаритных зеркал. Применение бериллия, отличающегося Жесткостью, малой плотностью, позволяет заметно уменьшить массу зеркала.
Вследствие кристаллической структуры бериллия его поверхность плохо полируется, поэтому перед нанесением на подложку отРажающего слоя на ее поверхность наносят промежуточный слой никелевого сплава узф аа л ммм 127 126 Ю.Г. Якушенксв. Теория и расчет оптико-электронных приборов Рис. 5.15. Коэффициенты поглотцения некоторых оптических материалов Одним из наиболее распространенных материалов ИК оптических систем является германий.
Он широко используется для изготовления оптических элементов, прозрачных в диапазоне 8...13 мкм. В диапазоне 3...5 мкм он применяется для хроматической коррекции, т. е. линзы из германия используются в паре с линзами, изготовленными из других материалов. Как и кремний„германий имеет большой показатель преломления (табл. 5.3) и малую дисперсию (см.
рис. 5.14), поэтому в ряде случаев германиевые объективы не нужно ахроматизировать. Если же ахроматнзация требуется, то хорошие результаты дает совместное использование в объективе линз, изготовленных из герма- ИКС-23 ИКС-24 ИКС-25 ИКС-27 ИКС-28 ИКС-29 ИКС-30 ИКС-31 ИКС-32 ИКС-33 Глава 5. Оптическая система оптико-электронного прибора Коэффициент температурно- го рвсптнре- нил (средивй в ннтерввле темпервтур), а 10' Кч Длине волны, мкм Материал Коэффициент теплспроводности при 20'С, ВтмкК' Удельная теплсемкссгь прн 20'С, Ди кгкК' Модуль утцтугссгв Е, ГПв 10 12 Плотность, г см' Материал 2.2570 2.2520 2.2460 2.2229 2.2005 2.1Т04 гпЗе 2.4376 2.4331 2.4173 2 А 065 2.3930 3.4320 Сятвлл СО-115М 2,44 102 1,05 755 3.4255 злггз 3.4184 3.4179 3.4157 4.0452 4.0243 4.0161 4.0032 4.0023 742 Плавленный кварц КУ, КВ 1,38 2А161 2.4112 2.4073 2.3940 2.3816 2.3645 2,21 1,30 Легирозениый плавленный кварц 2.Ы41 2.
5109 2.5034 2.4976 2 А 904 1Ашг 1.4580 1.4510 300 155 1780 1,86 1.3640 1.3526 1.3374 Сепфир 201 880 1.7121 1.6Т53 2,6 70 1.6239 1.41Т9 1.4097 1.3990 Ииввр Сталь 145 10,9 419 8,0 210 46,1 106 (Ос.е100'С) 81 (е20...+200'С) 118 15Д 471 4Д 5 якпнннков кт г 129 Ю21 Якушенков. Теория н расчет оптнко-электроннык приборов Таблица 5.5 Показатели преломления рида материалов, прозрачных н ИК области спектра Коэффициент отражения большинства металлов увеличивается с ростом длины волны излучения.
Хорошей отражательной способноетью обладает алюминий. В ИК области спектра его коэффициент отражения достигает 95% . В качестве других отражающих покрытий применяются такие материалы, как золото, палладий, родий, коэффициент отражения которых в ИК области спектра достигает 95...98 %. В качестве просветляющих покрытий можно использовать пленки пятиокиси ниобия, которые прозрачны (т > 90%) для излучения с длиной волны свыше 10 мкм, Показатель преломления и пятиокиси ниобия на длине волны 1 = 2,8 мкм равен 2,04, что позволяет использовать это вещество для просветления германия (п = 4,06). Германий хорошо просветляется также диоксидом церия (для 1 = 2...4 мкм т = 85%) и сернистым цинком (для )ь = 7...14 мкм т = 95%).
Последний применяется и для просветления кремния. Из других материалов для просветляющих покрытий следует отметить криолит (для 1 = 0,2... 10 мкм п = 1,34), фтористый магний (для)г = 0,12...5 мкм п = 1,35), сернистый цинк (для )с = 0,4...15 мкм п = 2,15) и оксид кремния (для 1 = 0 4...8 мкм и = 1,45...1,90), обладающие высокой прочностью и химической стойкостью, а также диоксиды титана, циркония. Глава 5. Олтнческзя система оптико-электронного прибора Таблица 5.6 Характеристики иекоторых силикатных и металлических матеркалон 2,5 (4 20...+ 120'С) 5,5 (+20...+200'С) 0,4 (.гоо...+'гоо с) 130 (О..А200'С) 240 (+ 20...+ 200'С) бн10.
Атермализация и ахроматизация оптической системы оптико-электронного прибора путем выбора надлежащих оптических материалов Для ОЭП, работающих в условиях значительных перепадов температуры окружающей среды и, следовательно, изменений температуры оптических компонентов, очень важно обеспечить стабильность параметров оптической системы. Для ОЭП инфракрасного диапазона это особенно важно, так как большинство прозрачных в этом диапазоне материалов обладают большими температурными коэффициентами показателя преломления () = т)п)г)Т, нежели обычные оптические стекла, работающие в видимом диапазоне. Исключение или ослабление влияния изменений температуры Т на параметры и характеристики оптической системы ( еатермализация») может быть достигнуто с помощью механических, электроме- Ю.Г.
Якушенков. Теория и расчет оптико-электронных приборов ханических и чисто оптических средств. В первом случае применяется механическое перемещение отдельных компонентов оптической системы при расфокусировке вследствие изменения температуры. Во втором случае с помощью системы датчиков температуры, устанавливаемых, например, вдоль оптической оси, осуществляется управление электромеханическим приводом, компенсирующим расфокусировку. Такие способы успешно применяют в ряде оптических адаптивных систем (см. гл. 12). В третьем случае подбирают надлежащую комбинацию оптических материалов, из которых изготавливают отдельные компоненты оптической системы; при этом для устранения или ослабления расфокусировки подбирают материалы с различными 8 и компоненты с разным знаком изменения оптической силы 11р= 1//' или фокусного расстояния /'.
Первые два способа атермализации (механический и электромеханический) более сложны в своей конструктивной реализации по сравнению с третьим (оптическим). Рассмотрим более подробно этот способ, достаточно полно описанный в работе [38]. Пусть В и В ' — радиусы передней и задней поверхностей линзы нулевой толщины при какой-то номинальной температуре Т . а а — коэффициент термического (теплового) расширения (КТР) материала, из которого изготовлена линза.
Тогда относительное изменение радиуса при изменении температуры на ЛТ равно гтЯ/В = аЬТ. Пусть пг яа и лэ — показатели преломления материала линзы для средней и граничных длин волн Х„Ха и Ха в рабочем спектральном диапазоне 3а...) а при температуре Т . а ~3 определяется для центральной длины волны Х„т.е. для иг. Можно принять, что А ы(1/ат. Если / ' — Фокусное расстояние тонкой линзы при Те, то В =(и, — 1Н1/Я-1/В'). Дифференцируя выражение для 1хр по температуре, получим г(В/ 1Т= Р,, где у= — -а п-1 Так как гЫо/1т -г(/'//'', то 1 ст/' /' г(Т Глава 5.
Оптическая система оптико-электронного прибора т.е. у — относительное изменение фокусного расстояния (обычно рассматриваемое при изменении температуры на 1 К). В большинстве случаев а — положительная и достаточно заметная величина, хотя, например, для кварца а очень мала, а для воды при низких температурах а отрицательна. В то же время 8 и у для известных оптических материалов бывают положительными, отрицательными и очень близкими к нулю.
К сожалению, большинство оптических материалов, обладающих хорошим пропусканием в ИК области спектра, имеют довольно большие значения 8, что приводит к высоким у в реальных системах. Если фокусное расстояние / ' линзы конструктивно определяется какой-то оправой (корпусом, основанием), составляющей с линзой единую конструкцию, то условием атермализации /' является у=-а где а„— КТР материала оправы (корпуса, основания). Оптическая атермализация сложной системы может быть осуществлена подбором двух или более оптических материалов отдельных ее компонентов, взаимно компенсирующих изменения /' всей системы. Наряду с атермализацией в оптической системе должны быть обеспечены и другие условия. К их числу относатся, в первую очередь, условие сохранения постоянной оптической силы всей системы 11 состоящей из/ элементов, (5.15) г=! а также условие ахроматизации (5.16) аш -1 где и, = "' — число Аббе, характеризующее дисперсию мателхга - пиа Риала рго элемента; я „и, и — показатели преломления т-го элемента на средней (л., ) и граничных (г.а, 'г а) длинах волн рабочего спектРального диапазона.
Условие атермализации можно записать в следующем виде: г — (1+а .ЬТ).Я ~ — ) +а„1то =О. (5 11) ыг т 130 131 Таблица 5.7 Контрольные вопросы 132 к?.Г. Якушвнков. Теория н расчет оптико-электронных приборов В табл. 5.7 приводятся данные о значениях Тг и т17),тт?Т тдля еди ничного эквивалентного фокусного расстояния) для ряда распространенных оптических материалов, используемых при проектировании ОЭП, работающих в диапазоне 8...12 мкм 12, 30, 38).
Значения Тт и тП?э/яг для рпда мятеряалов В работе [38) описывается графо-аналитический метод выбора оптических материалов, основанный на одновременном обеспечении условий ахроматизации и атермализации оптической системы ОЭП. Решая систему уравнений (5.15) — (5.17) и размещая на графике в ортогональной системе координат (Тг, ТТг) точки, соответствующие значениям Тг и Т)г, можно подобрать комбинацию материалов, обеспечивающую минимум хроматических аберраций и расфокусировки из-за изменения температуры. Например, для трехлинзовой системы наилучшего результата можно достичь в том случае, если для материалов, из которых изготовлены линзы, треугольник, образованный при соединении прямыми точек (Тг, ТТг), будет иметь наибольшую площадь.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
